ОПИСАНИЕ

Для производства глюкозы или мальтодекстрина методом кислотного или ферментативного гидролиза используются различные виды рафинированного крахмала, такие как кукурузный крахмал, пшеничный крахмал или крахмал маниоки, в качестве сырья.

Кислотный гидролиз позволяет легко получать цветные вещества или неферментируемые сахара, однако из-за побочных эффектов на практике этот метод прекращен. Мы предлагаем растениям ферментативный гидролиз для получения глюкозы или мальтодекстрина.

Теоретически, если значение DE меньше 20%, то есть содержание редуцирующих сахаров меньше 20%, то продукт называется мальтовым декстрином. Но на практике различимость не очень очевидна.

Описание процесса

ⅰ. Сжижение

Глюкозоамилаза, используемая для осахаривания, является экзоферментом, осуществляющим гидролиз молекул субстрата с невосстанавливающего конца. Для повышения эффективности мальтогенной амилазы и ускорения реакции осахаривания необходимо использовать α-амилазу для гидролиза макромолекулярной глюкозы до мальтодекстрина и сложных сахаров. Однако кристаллическая структура частиц крахмала обладает высокой устойчивостью к действию этого фермента. Например, соотношение скорости гидролиза частиц крахмала бактериальной α-амилазой и скорости гидролиза крахмала составляет 1:2000. Из-за этого амилаза не может непосредственно воздействовать на крахмал, поэтому крахмальное молоко необходимо сначала нагреть, после чего крахмал гидратируется, расширяется, становится рыхлым и разрушает свою кристаллическую структуру.

(ⅰ). Желатинизация и старение.

Если крахмальное молоко нагреть до определенной температуры, частицы крахмала начинают расширяться, поляризованные кресты исчезают. При повышении температуры частицы крахмала продолжают расширяться, увеличиваясь в несколько раз или даже в десятки раз по сравнению с первоначальным объемом. По мере расширения частиц кристаллическая структура исчезает, объем увеличивается, частицы соприкасаются друг с другом, превращаясь в желатинообразную жидкость. Даже если прекратить перемешивание, крахмал перестает осаждать, это явление известно как желатинизация. Образовавшаяся липкая жидкость известна как крахмальная паста, температура этого явления называется температурой желатинизации.

Старение крахмала на самом деле представляет собой процесс разрыва межмолекулярных водородных связей в желатинизированном крахмале и их перегруппировки с образованием новых водородных связей, что является сложным процессом кристаллизации.

(ⅱ). Сжижение

Существует множество методов сжижения, наиболее идеальным из которых является струйное сжижение. В зависимости от производственных условий различных заводов, при давлении пара ≥0,8 МПа выбирается процесс сжижения с помощью высокотемпературной пароструйной обработки; при давлении пара ≤0,5 МПа выбирается процесс сжижения с помощью низкотемпературной пароструйной обработки. Процессы сжижения с помощью пароструйной обработки делятся на однократный ферментативный процесс и двукратный ферментативный процесс.

Если получаются сиропы из глюкозы и фруктозы, в качестве сырья используют картофель для ферментативной обработки. Если используется кукурузно-пшеничный крахмал, то при хорошем качестве (белок ≤0,3%) рекомендуется однократное добавление фермента, что удобно, экономит пар и придает жидкости светлый цвет. Если же используется кукурузный или пшеничный крахмал низкого качества (белок >0,6-1,0%), его добавление может привести к старению и образованию нерастворимых крахмальных гранул, поэтому содержание белка в сырье должно быть высоким, и для полного разжижения рекомендуется двукратное ферментативное воздействие.

ⅱ. Скарификация

После завершения процесса разжижения быстро отрегулируйте pH раствора до 4,2–4,5, одновременно охладите его до 60ºC, затем добавьте фермент для скарификации и поддерживайте температуру 60ºC. Постоянно помешивайте, чтобы предотвратить неравномерную скарификацию. После реакции, проверив раствор безводным спиртом и убедившись в отсутствии мальтодекстрина, отрегулируйте pH до 4,8–5,0, нагрейте раствор до 80ºC, выдерживайте температуру в течение 20 минут, а затем отфильтруйте. Жидкость после фильтрации перелейте в резервуар для хранения и храните при температуре выше 60ºC для дальнейшего использования.

ⅲ. Фильтрация

После осахаривания крахмала его диэлектрическая проницаемость может достигать 98% (варьируется в зависимости от конфигурации и требований заказчика), но при гидролизе крахмала также образуются нерастворимые примеси, зола, жиры, белки и т. д. В процессе гидролиза добавляются некоторые примеси, при добавлении кислоты могут образовываться неорганические соли, при добавлении ферментов – белки, а в процессе разложения образуются амилоза и олигоза, в результате вторичной реакции – 5-гидроксиметилфурфурал (5-ГМФ) и другие цветные вещества. Все это требует очистки для улучшения качества глюкозы и качества готовой продукции. Поэтому после осахаривания необходимо провести фильтрацию.

После проверки безводным спиртом и подтверждения отсутствия мальтодекстрина, осахаривание прекращают, pH регулируют до 4,2–4,5–4,8–5,0, нагревают до 80ºC, выдерживают 20 минут, а затем начинают фильтрацию. Существуют различные способы фильтрации: пластинчато-рамный прессовый фильтр, роторный вакуумный барабанный фильтр, мембранный фильтр, центрифуга и т. д. С учетом соотношения эксплуатационных затрат, инвестиций и качества продукции, мы обычно используем пластинчато-рамный прессовый фильтр.

ⅳ. Обесцвечивание

Обычно обесцвечивание сахарифицированной жидкости ферментным методом заключается в регулировании pH до значения около 4,8. Фермент сам по себе является своего рода белком, pH раствора близок к изоэлектрической точке белка, в нем содержится много взвешенных веществ. Многие заводы сначала используют барабанный фильтр, изготовленный с предварительным покрытием из диатомита, или добавляют активированный уголь для удаления белков, жиров и примесей, а затем проводят обесцвечивание. Цвет сахарифицированной жидкости, полученной ферментным методом, светлый, поэтому обычно проводят двукратное обесцвечивание активированным углем, а затем выполняют ионообмен железа (IX). Иногда же для обесцвечивания не используют активированный уголь, а сразу проводят барабанный фильтр, а затем ионообмен железа.

В нашем процессе обесцвечивание в основном осуществляется с помощью пластинчато-рамного прессового фильтра. Для повышения уровня автоматического управления и улучшения условий эксплуатации некоторые западные производители используют свечные фильтры, состоящие из множества фильтрующих трубок или стержней, например, фильтры DDS (увеличенной толщины), представляющие собой цилиндрический или закрытый квадратный контейнер, внутри которого находится микрофильтр, изготовленный из металла или этилена. Перед фильтрацией жидкость откачивается снизу фильтра. Примеси остаются в фильтре, а очищенная отфильтрованная жидкость отжимается через верхнюю фильтрующую трубку. При низкой скорости фильтрации необходимо остановить фильтрацию, промыть фильтр обратным потоком и возобновить фильтрацию.

ⅴ. Ионный обмен (IX)

Благодаря замещению ионов функциональными группами, закрепленными на трехмерном сетчатом каркасе, и изменению концентрации ионов и других условий окружающей среды, происходит обратимый обмен с внешними ионами, что позволяет осуществлять разделение, замещение, концентрирование ионов, удаление примесей и выполнять функции химического катализатора.

Каркасная структура ионообменной смолы фиксирована, обратимый обмен происходит только в функциональных группах, поэтому её можно обновлять и использовать тысячи раз. Однако со временем происходит потеря материала. Отличие ионообменной смолы от других агентов заключается в том, что ионообменный материал можно многократно обновлять, срок его службы длительный, что упрощает производственный процесс, сокращает время производства, улучшает качество продукции, повышает эффективность и снижает затраты.

После обмена гидрированная смола превращается в натриевую смолу и теряет обменную способность. Если смолу поместить в высококонцентрированную (около 5%) сильную кислоту (регенерирующий агент), например, соляную кислоту, концентрация ионов водорода будет высокой. Из-за разницы концентраций легко происходит обмен натриевой смолы на ионы водорода, восстанавливается обменная способность – это процесс регенерации.

ⅵ. Испарение и концентрация

В зависимости от требований к обработке и технологии, существуют различные типы концентраторов, такие как непрерывное или периодическое испарение, однократное или многократное испарение. Типичные методы испарения включают два типа.

Традиционный тип испарителя состоит из двух испарителей: одного многоступенчатого (обычно 3 или 4 ступеней) и одного одноступенчатого. Многие заводы используют двухступенчатую выпарку: сначала разбавленный раствор глюкозы концентрируют до 45-60 унций с помощью трех- или четырехступенчатого пленочного испарителя, а затем используют одноступенчатый испаритель для получения раствора с концентрацией 72-85 унций. В одноступенчатом испарителе подача может быть непрерывной, но выгрузка должна осуществляться порциями.

В настоящее время мы используем метод однократного выпаривания. Он очень хорошо подходит для получения глюкозы с помощью ферментативного метода и позволяет увеличить выход конечного продукта до 85 унций или даже выше. Начальная концентрация раствора при ферментативном методе обычно составляет около 35 унций. Энергопотребление значительно ниже по сравнению с традиционным процессом.

ⅶ. Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс превращения жидкости в твердое вещество и отделения твердой фазы. Это также важнейший метод получения продуктов различной чистоты. Кристаллизация является важнейшей процедурой в процессе кристаллизации глюкозы. Она напрямую влияет на качество и выход продукта.

Существуют различные методы кристаллизации глюкозы. Этот процесс довольно сложный, в основном связанный с качеством и выходом продукта. Ниже приведено его описание:

(1) После процесса кристаллизации

Жидкость кристаллизуется непосредственно после концентрирования, а затем маточный раствор сливается напрямую без циркуляции. Оборудование для этого процесса простое, качество продукта хорошее, но выход продукта низкий, обычно около 50%. Этот метод подходит для предприятий, которые используют маточный раствор для других целей.

Иногда мы прокачиваем маточный раствор, чтобы увеличить выход продукта примерно до 80%, но качество продукта при этом не очень хорошее.

(2) Процесс двойной кристаллизации

В этом процессе большая часть маточного раствора, полученного в результате разделения продукта, возвращается для первой кристаллизации после обесцвечивания и процессов обмена железа. Влажные кристаллы после разделения используются только в качестве материала для второй кристаллизации или для промышленного применения.

Маточный раствор в основном используется повторно, поэтому качество продукта после первой кристаллизации низкое. Однако во всей системе конечный продукт получается в результате вторичной кристаллизации, и его качество значительно лучше. Большая часть материалов извлекается, и выход продукта высок. Это наиболее важный процесс для производства глюкозы для фармацевтического применения.

(3) Линия по производству безводной глюкозы

Этот процесс представляет собой один из видов двукратной кристаллизации, специально разработанный для получения безводной глюкозы. Качество продукта очень высокое. Часть маточного раствора используется для получения глюкозы низкого качества или для других целей.

ⅷ. Разделение и сушка

(1) Разделение

После кристаллизации смесь содержит частицы кристаллов и некристаллизованную жидкость (обычно называемую маточным раствором или «зеленым раствором»), поэтому необходимо отделить частицы кристаллизованной глюкозы от маточного раствора с помощью центробежного сепаратора.

Жидкую смесь загружают, затем вращают под действием центробежной силы, после чего кристаллы выбрасываются из маточного раствора в корзину и выгружаются.

(2) Сушка

К сушильным установкам для глюкозы относятся барабанные сушилки, воздухопоточные сушилки, сушилки с псевдоожиженным слоем и т. д., а некоторые заводы используют распылительные сушилки для сушки высококонцентрированного раствора глюкозы непосредственно до состояния порошка.

Барабанная сушилка представляет собой вращающийся барабан с паровой рубашкой, имеющий определенный наклон; глюкоза может добавляться с одной стороны и медленно циркулирует в барабане со скоростью около 5 об/мин. Например, барабанная сушилка размером 1000*5000 мм имеет производительность около 10 т/сутки.

Воздушная сушилка — наиболее распространенный тип сушилки для глюкозы, состоящий из нагревателя воздуха, вентилятора, воздуховодов, циклона и т. д. Отделенная глюкоза сначала подвергается осушению, а затем выводится потоком горячего воздуха. В воздушной сушилке температура воздуха на входе составляет около 70-75ºC, температура на выходе — около 30-35ºC, а скорость воздушного потока — около 20 м/с. Предположим, диаметр воздуховода составляет 400 мм, длина — 18 м, скорость воздуха — 8000 м³/ч, давление воздуха — 4900 МПа (500 мм вод. ст.), производительность составляет около 10 т/ч.

Сушилка с псевдоожиженным слоем — это ещё один тип сушилки с воздушным потоком. Горячий воздух поднимается через небольшие отверстия в нижней части псевдоожиженного слоя, благодаря чему глюкоза на перфорированной пластине находится в псевдоожиженном состоянии. Поток воздуха поглощает влагу, отделяет мелкие частицы в циклоне и выводится наружу. Затем продукт высушивается. Для обеспечения качества продукта необходимо добавить устройство подачи холодного воздуха во вторую часть, чтобы снизить температуру высушенной глюкозы. Лучше всего, чтобы она была на несколько градусов выше комнатной температуры. Тогда после упаковки продукт не будет слеживаться. Необходимо убедиться, что холодный воздух является осушенным, чтобы сухая глюкоза не впитывала влагу из воздуха.

Распылительная сушка не является распространенным методом обработки глюкозы. Продукт очень липкий, поэтому тканевый фильтр не подходит. Кроме того, продукт очень мелкий, поэтому скорость улавливания циклоном относительно низкая. Тем не менее, мы разработали несколько специальных конструкций для повышения производительности. Хотя распылительная сушка не рекомендуется, если заказчик предпочитает использовать распылительную сушку или процесс требует только распылительной сушки, мы можем разработать специальные конструкции.

Секция сушки является очень важной частью линии по производству глюкозы. Все детали, контактирующие с продуктом, и детали, контактирующие с поступающим технологическим воздухом, должны быть изготовлены из высококачественной нержавеющей стали, а весь поступающий воздух должен быть очищен до высокого класса.

ⅸ. Производство мальтодекстрина

Мальтодекстрин делится на три основных класса:

MD100: значение DE, % (м/м) ≤ 10

MD150: значение DE, % (м/м) ≤ 15

MD200: значение DE, % (м/м) ≤ 20

(MD — это аббревиатура от мальтодекстрин).

Существует три основных характеристики, позволяющих определить качество мальтодекстрина:

Внешний вид: белый или очень светло-желтый порошок, без видимых примесей.

Запах: со специфическим ароматом солодового декстрина, без посторонних запахов.

Вкус: безвкусный или слегка сладковатый, без запаха, без посторонних привкусов.

Для производства мальтодекстрина после концентрирования мы обычно используем специально разработанную распылительную сушилку. Наша особая конструкция экономит рабочее пространство, повышает эффективность нагрева, упрощает очистку и снижает затраты на обустройство цеха.

ⅹ. WIP (Washing In Place — стирка на месте)

Различные уровни системы контроля незавершенного производства предоставляются по запросу заказчика.

Особенности нашего дизайна

В отличие от традиционных технологий, которые до сих пор поставляются множеством поставщиков по всему миру, наша разработка обладает следующими особенностями:

1. Дозирование и инактивация ферментов: Традиционный процесс однократного дозирования ферментов приводит к образованию гораздо большего количества олигозом и нерастворимых компонентов. Мы используем систему двукратного дозирования для улучшения качества продукта.

По сравнению с обычными процессами, наша методика инактивации ферментов очень эффективна для затвердевания белка и равномерного распределения крахмала.

2. Паровая плита: Простота управления и низкое давление пара — отличительные особенности нашей конструкции.

Вместо регулирования давления пара мы используем уровень жидкости для управления процессом приготовления струйным методом. Поддерживать стабильное давление подаваемого пара довольно сложно, в то время как регулировать уровень жидкости гораздо проще.

У нас есть два типа скороварок высокого давления на выбор: низкотемпературные и высокотемпературные. В низкотемпературных скороварках требуется всего около 2 бар давления пара. Поэтому очень легко использовать отработанный пар. Даже для высокотемпературных скороварок высокого давления требуемое давление пара также довольно низкое по сравнению с традиционными технологиями: мы используем 6 бар, в то время как традиционные технологии обычно требуют более 10 бар.

3. Сжижение: многослойные резервуары обеспечивают равномерное сжижение при одинаковой температуре и одинаковом времени обработки. Это очень хорошо для последующего процесса — рыхления.

4. Концентрирование: одним испарителем достигается высокая степень насыщения (брикс), низкое требуемое давление пара и энергосбережение — основные особенности нашего процесса.

Когда требуется продукт с высоким содержанием сахара (брикс), традиционная технология включает в себя один 3- или 4-ступенчатый пленочный испаритель и один одноступенчатый испаритель. Проблема заключается в том, что одноступенчатый испаритель потребляет очень много пара, а качество продукта низкое. Мы используем один испаритель с 4- или 5 ступенями, иногда с 6, чтобы получить конечный продукт с содержанием сахара 85 брикс и даже выше.

Для традиционного многоступенчатого пленочного испарителя обычно требуется давление пара более 6 бар, тогда как мы используем менее 3 бар, и даже 1,5 бара пара может быть достаточным.

Наша конструкция также ориентирована на энергосбережение. Благодаря пятиступенчатому падающему испарителю для испарения 1 кг воды требуется всего около 0,15 кг пара.

5. Наши системы фильтрации и обесцвечивания разработаны специально для получения очень чистого продукта.

6. После стойки для обмена железа устанавливается дезодорирующий стержень.

7. Все отработанные пар, вода и тепло, образующиеся на предприятии, считаются использованными.

8. Рассматривается возможность использования запасных резервуаров, что позволит нам поддерживать бесперебойное производство при смене продукции.

Дружеское напоминание

1. Такие установки изготавливаются по индивидуальному проекту. Не все функции предусмотрены во всех проектах. Реальная конфигурация должна быть выполнена в соответствии с подписанными контрактами или соглашениями.

2. В качестве материала для изготовления станка может использоваться AISI304, 316L и другие. Это зависит от требований заказчика.

3. В качестве метода нагрева можно использовать пар, электричество, газовую печь и так далее.

4. Для системы управления мы можем разработать простую кнопочную систему, а также ПЛК+ЧМИ по запросу заказчика. Мы можем разработать систему управления по вашему желанию.